Onderzoek naar vroege Plasma Evolution geïnduceerd door ultrakorte laserpulsen

Het doel van dit experiment is om de vroege plasma-evolutie veroorzaakt door ultrakorte laserpulsen te onderzoeken met een hoge temporele en spatiale resolutie. Dit wordt bereikt door een optisch systeem op te stellen waarin één ultrakorte laserpuls wordt gesplitst in een pomppuls en een probepuls. Als tweede stap.

De pompimpuls en de probe-impuls zijn gesynchroniseerd, wat het nulpunt voor de vertragingstijd van het optische vertragingsapparaat bepaalt. Vervolgens worden het monster en de tafel voorbereid om een hoge vlakheid van het monsteroppervlak te bereiken en om het monsteroppervlak parallel aan de probe-impuls te maken. Daarna wordt er ablatie uitgevoerd met de brandpunten net boven en net onder het doelwit.

De pomppuls ablateert het doelwit en genereert het vroege plasma, terwijl de probe-puls door de plasmaregio propageert en de niet-uniformiteit van de elektronentaldichtheid detecteert. Uiteindelijk laten de resultaten plasmauitzetting zien bij opeenvolgende vertragingstijden op basis van het gemeten schaduwbeeld. Animaties worden ook gegenereerd met behulp van de berekende resultaten om de plasmavorming en -evolutie met een zeer hoge resolutie te illustreren.

Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in het vakgebied van Outshot-pulsen, zoals het effect van de positie van het brandpunt en de vroege plasma-evolutie op laserablatie. De implicaties van deze techniek strekken zich uit tot de ontwikkeling en het effectieve gebruik van ultrakorte pulsen, omdat men kan bepalen hoeveel energie door het vroege plasma wordt geabsorbeerd tijdens de ultrakorte laserduur en hoe dit kan worden gebruikt voor de versterking van het plasmaveld voor diverse diagnostische toepassingen en materiaalbewerking. De optische opstelling voor pump-probe- en shadowgraphy-metingen is voorzien van een halve-golfplaat en een polarisator na de laseruitgang om de energie van de laserpuls aan te passen.

Een straalsplitser na de polarisator splitst de laserpuls in twee pulsen: een pomppuls en een probepuls. Vier reflectiespiegels en een handmatige translatiepodium worden gebruikt om een optisch vertragingsapparaat voor de pomppuls te construeren. Nog eens vier reflectiespiegels geleiden de pomppuls zodat deze het doeloppervlak verticaal bereikt.

Een tweede harmonische generator transformeert de golflengte van de laserpuls van 800 nanometer naar 400 nanometer. Vervolgens laat een harmonische scheider de puls van 800 nanometer door en reflecteert de puls van 400 nanometer. Daarna volgt een bundelreducer.

Een ander optisch vertragingsapparaat voor de probe-puls. De puls wordt opgebouwd met vier reflecterende spiegels en een paar brandpuntslenzen die de grootte en convergentie van de probe-puls aanpassen. Een irisring reguleert het oppervlak van de probe-puls en zorgt ervoor dat de probe-puls horizontaal over het doeloppervlak gaat en de pomp-puls kruist nabij de objectieflenzen en diverse filters om het beeld van de plasmaregio te genereren, dat wordt opgevangen door de intensified charged coupled device-camera.

Ten slotte worden de computer, de laser, de ICCD-camera en de controller ervan verbonden met BNC-kabels of USB-kabels; pas de vertragingstijd van de cameracontroller aan totdat de camera een beeld van de probe-puls vastlegt. De effectieve synchronisatie van de probe-puls en de pomp-probe-synchronisatie van de camera wordt uitgevoerd door een bundelsplitser op het kruispunt van de pomp-puls en de probe-puls, waarbij twee fotodiodes de twee pulsen ontvangen. Deze twee fotodiodes moeten zich op dezelfde afstand van de bundelsplitser bevinden.

Vervolgens wordt de straalsplitser verwijderd en wordt een oscilloscoop gebruikt om de signalen van deze twee fotodiodes te ontvangen. Verplaats de vertragingsstage in het pad van de pomppulsstroom totdat de profielen van de pomppuls en de probepuls elkaar overlappen op het scherm van de oscilloscoop. Er wordt een nauwkeurigheid van 20 picoseconds bereikt, conform de temporele resolutie van de oscilloscoop na synchronisatie.

Verwijder de twee fotodiodes. Stel de vertragingsstage in het pad van de pompulsstraal zo in dat de regio van luchtdoorbraak net zichtbaar is op het ICCD-scherm. Het tijdstip waarop de vorming van luchtdoorbraak kan worden gedetecteerd in plaats van een uniforme achtergrond, wordt vastgesteld als vertragingstijd nul.

Een cruciaal onderdeel van deze techniek is om ervoor te zorgen dat het target geen enkel deel van het plasma-beeld blokkeert. Dit kan worden bereikt door het monster en de objecttafel zodanig voor te bereiden dat het bovenoppervlak van het monster een hoge vlakheid vertoont en parallel loopt aan de passage van de probe. Begin de voorbereiding van de objecttafel met het opstellen van een labkrik en twee handmatige lineaire stages.

Verplaats het monster opeenvolgend met drie vrijheidsgraden, een analoge meetklok en precisie-shims. Om een hoge vlakheid van de platforms te bereiken, moet het hoogteverschil tussen 1 µm per afstand van 25,4 mm liggen. Gebruik vervolgens een freesmachine om een monster voor te bereiden door een vierkant stuk uit een koperplaat met een dikte van 0,8 mm te snijden. Gebruik een polijstmachine om een smalle zijde van het koperen stuk te polijsten totdat de oppervlakteruwheid lager is dan 0,5 µm.

Bevestig het koperen stuk op de bovenste handmatige tafel met de gepolijste smalle zijde naar boven. Verplaats het doelwit met één handmatige tafel terwijl de positie via de ICCD-camera wordt gemonitord, zodat eventuele kanteling kan worden gecorrigeerd door precisie-SHI's onder het doelwit te plaatsen. Herhaal dit proces met de andere handmatige tafel.

Boor tot slot een dozijn gaten in het doelwit, terwijl de positie van de brandpuntslens wordt gevarieerd met een derde handmatige tafel met hoge nauwkeurigheid. De locatie van het brandpunt komt overeen met de positie van de brandpuntslens waarbij het kleinste gat wordt geboord. De feitelijke meting dient in het donker te worden uitgevoerd.

Voor de opname is er echter enig licht gebruikt om de ablatie uit te voeren. Verplaats eerst de brandpuntslens naar een afstand van ongeveer 50 microns van het brandpunt. Verplaats vervolgens de vertragingsplateau op het pad van de prop-pulsstraal met een interval van 0,3 millimeters om het beeld vast te leggen.

Elke twee picoseconden tot 10 picoseconden is bereikt, of met een interval van drie millimeter om elke 20 picoseconden een afbeelding vast te leggen tot 480 picoseconden is bereikt. Herhaal dit proces meerdere keren voor reproduceerbaarheid en nauwkeurigheid. Verplaats als laatste stap de brandpuntslens naar een afstand van ongeveer 50 microns van het brandpunt en leg de beelden vast.

Opnieuw worden de gemeten schaduwgrafiekbeelden getoond die het resultaat zijn van koperplasmanexpansie bij opeenvolgende vertragingstijden. Deze beelden komen overeen met het brandpunt dat zich iets boven en iets onder het targetoppervlak bevindt. Hier zijn de longitudinale en radiale expansieposities uitgezet voor wanneer het brandpunt zich iets boven en iets onder het targetoppervlak bevindt.

De longitudinale expansies in deze twee gevallen verschillen significant in de eerste 100 picoseconden; in het eerste geval heeft het vroege plasma binnen 100 picoseconden een eendimensionale expansiestructuur bestaande uit meerdere lagen. Voor het tweede geval heeft het vroege plasma een tweedimensionale expansiestructuur die gedurende 100 picoseconden nauwelijks verandert. De longitudinale expansies in de daaropvolgende 400 picoseconden en de radiale expansies zijn echter vergelijkbaar. Hier wordt een simulatiemodel gebruikt om het mechanisme van de vroege plasma-evolutie te onderzoeken via de gesimuleerde elektronendichtheid wanneer het brandpunt zich net boven het targetoppervlak bevindt.

Tijd nul wordt gedefinieerd als het moment waarop de piek van de laserpuls het targetoppervlak bereikt. Hetzelfde model wordt gebruikt om te onderzoeken wat er gebeurt wanneer het brandpunt zich iets onder het targetoppervlak bevindt. De gesimuleerde processen van de vroege plasma-evolutie komen goed overeen met de gemeten resultaten.

In beide gevallen wordt de vorming van het vroege plasma binnen één picoseconde voorspeld; voor het eerste geval, gebruikmakend van het simulatiemodel, wordt vastgesteld dat het vroege plasma een luchtdoorbraakregio en een koperplasmaregio heeft. De luchtdoorbraak wordt in het tweede geval eerst veroorzaakt door multifotonionisatie, gevolgd door lawineionisatie. Echter bevindt het brandpunt zich onder het targetoppervlak en wordt er geen aparte luchtdoorbraakregio gevormd.

In plaats daarvan vindt luchtionisatie plaats nabij het koperplasmafront, veroorzaakt door impactionisatie door de vrije elektronen die uit het kopertarget worden uitgestoten na de ontwikkeling ervan. Deze techniek heeft de weg vrijgemaakt voor onderzoekers in het vakgebied van short-pulse lasers om de vroege plasma-evolutie in het ablatieproces te onderzoeken. Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe schaduwgrafie kan worden gebruikt voor het meten van plasma's.